一种直线压电电机

设计了一种直线压电电机采用一阶纵振工作模态。电机振子由横、纵向杆式振动体正交连接而成,振动体的结构形式为高强度夹心换能器,横向振动体的两个换能器产生反对称振动以增强横向振动输出力。当横、纵向振动体施加相位差为90°的正弦激励信号时,驱动足产生椭圆运动以推动滑条移动。通过扫频实验,测得电机的最佳工作频率为29. 3 k Hz。当给电机施加频率为29. 3 k Hz,峰峰值为250 V的激励信号时,滑条的推动力可达8N,空载移动速度可达150 mm/s。     

基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机驱动电路研究

介绍了一种新型基于压电陶瓷平面内应变特性的多自由度超声波电机，该电机通过两个平面内的弯曲振动模态的叠加实现转子绕Z轴的转动；并利用伸缩振动模态分别与上述弯曲振动模态叠加实现转子绕X轴和绕Y轴的转动。设计了一种基于直接数字频率合成器(DDS)原理的电机驱动电路，该电路利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号，并采用高压运算放大器进行功率放大。该驱动电路的特点是各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位差均可以独立调整。电机样机的机械特性实验以及调节特性实验结果表明该驱动电路满足驱动基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机的要求。     

H形直线超声波电动机的研究

在纵弯复合模态直线超声波电动机的基础上提出一种H形直线超声波电动机,该电机基于H形压电振子两侧金属直梁的一阶伸缩振动模态和三阶面内弯曲振动模态的叠加,在四个驱动足驱动下交替实现力的输出,通过改变两个工作模态相位差来实现速度控制及正、反方向驱动.利用有限元数值方法对振子进行了模态优化设计,确定了振子的结构参数,并加工制作了原理样机,对样机的输出特性进行了实验研究.该模型样机在驱动频率为30.70 kHz时,动子最大速度为230 mm/s,单侧驱动力为0.47 N.     

松下电器公司研制成机械转换效率达45％的超声波电机

松下电器产业公司中央研究所成功地研制出利用压电元件,以超声波振动为驱动力的圆盘型和圆环型超声波电机,预计明春将公开出售。目前,各公司都在着手研究超声波电机。这种电机的工作原理与过去的电机完全不同,它不靠电流和磁场的相互作用得到驱动力。目前的超声波电机,机械转换效率低,一般约为25％,大多不能使用。超声波电机是由受压电元件激振的振动部分和与振动部分相接触而驱动的移动部分组成。在超声波振动的振动部分和移动部分之间,将摩擦力转换成旋转力并输出。超声     

能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析

为解决极端封闭环境中微机器人检测精密驱动及其电子设备自供电问题,提出了一种具有振动能量采集功能的超声波电动机。电机定子由两组压电陶瓷和金属基体构成锥面夹心结构,一组压电陶瓷利用逆压电效应将电能转换成机械振动能,实现电机的精密驱动与定位;另一组压电陶瓷利用正压电效应将定子机械振动能采集转换成电能,实现对电子器件自供电。对电机定子结构和压电陶瓷极化分区模式进行了设计,利用有限元分析软件建立了电机定子结构有限元机电耦合模型,仿真分析了电机振动模态、谐响应、输入导纳特性、能量采集转换特性和阻抗匹配特性等。研究结果为实现基于压电转换的驱动和能量采集一体化机电产品提供理论基础。     

压电叠堆泵驱动的精密步进驱动电机

提出一种新型压电直线精密步进驱动电机,其结合电流变技术替代机械阀装置,由此实现高精度和高速的性能。该步进驱动电机采用压电泵作为步进驱动动力源,以压电叠堆的伸缩和薄壁蝶形铰链微变形结构驱动泵腔容积的变化,进而控制精密液压缸完成步进运动。解决了以往压电精密步进驱动电机钳位不牢固、步进频率较低、行程小、分辨率低、速度低、驱动力不稳定等问题。研制的压电叠堆泵直线步进驱动电机能够实现高频率(100Hz),高速度(502μm/s),大行程(10mm),高分辨率(0.05μm),大驱动力(100N)等特点,提高了压电型步进驱动电机的整体驱动性能。该步进驱动电机在精密运动、微操作、光学工程和精密定位等精密工程中有广阔的应用前景。     

基于液体媒质的非接触型超声波电机理论与实验研究

非接触型超声波电机有效地解决了接触型超声波电机因接触摩擦所引起的使用寿命低、不能长时间连续运转等难题,是超声波电机领域的一个新的研究方向。介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机,其定子与转子是不接触的,并且转子浸于液体媒质之中,定子压电振动所产生的能量通过定、转子间的液体传递给转子,从而驱动转子旋转。给出了该电机的结构及驱动电路,对其运行机理进行了理论分析,利用有限元法对定子振动情况进行了模态分析,讨论了水位高度、定子振动速度等对电机性能的影响,并通过实验进行了验证,实验测试结果与理论分析结果相一致。     

一种贴片式三角形旋转超声电机

提出了一种贴片式三角形旋转超声电机,该电机采用贴片式结构,实现了电机的小型化设计。该电机将6片d31模式的压电陶瓷片粘贴在一个三角形的钢基体外表面。通过对贴片陶瓷施加正弦交流电压,在三角形基体内激励出两个不同的振动模态。通过将两个不同的振动进行叠加,在3个驱动足处形成了具有驱动作用的椭圆运动。采用有限元分析方法的模态分析和瞬态分析对该三角形电机进行设计分析,成功的实现了两个振动模态的频率简并,并获得了驱动足的椭圆运动轨迹。结果表明,当该贴片式三角形旋转超声电机定子和外侧圆环形转子接触时,在预紧力的作用下,3个驱动足处的椭圆运动轨迹能够实现圆环形转子的旋转运动。     

新型单振子多自由度超声波电机

提出一种基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机。该电机的定子由中空金属圆柱加工而成,圆柱的四周加工成4个互相垂直的平面,上面分别粘贴四片沿厚度方向极化的钛锆酸铅(lead zirconate titanate,PZT)压电陶瓷。利用压电陶瓷在垂直极化方向平面内的变形,激励定子绕Z轴的扭转振动模态,实现转子绕Z轴的转动;激励在定子中固有频率接近、振动方向相垂直的伸缩振动模态和弯曲振动模态,并通过振动的叠加使定子末端质点产生绕X轴或者Y轴的椭圆运动,实现转子绕水平轴的转动。采用有限元方法对电机的定子进行分析设计,建立电机样机实验系统并测定样机的振动特性及输出机械特性。实验结果表明基于压电陶瓷平面内应变的电机可以实现绕3个互相垂直轴的多自由度转动。     

超声波电动机

超声波电动机是把产生超声波振动的振动体与移动体之间的摩棒力作为动力的。它具有结构简单、形体小、重量轻等特点。同时,低速起动也能获得较大起动转矩,因而易于选择最佳设计与负载匹配。     

微小型纵弯复合激励式圆筒超声电机的设计

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种微小型贴片式纵弯复合激励式圆筒型行波超声电机。该电机由圆筒和一个纵弯复合换能器组成,换能器位于圆筒的外侧壁上,换能器由一对弯振压电陶瓷片、一对纵振压电陶瓷片和前端为变幅杆的长方形铝块组成。对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并。对振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好。测试结果表明,换能器的纵振、弯振和圆筒弯振模态之间均实现了很好的匹配。。     

Operating frequency tracking of single phase driving type piezoelectric motors

We developed a multi (or mixed) mode excitation type piezoelectric motor that uses a rectangular bar type piezoelectric multilayer stator as the vibrating element. The stator has a first longitudinal vibration mode in a direction of longest length and second flexural mode in a direction of thickness. During operation of the motor, these two modes are coupled so at the two end surfaces, elliptical motions are generated. The elliptical motion at one end of the stator is transferred to a moving element through frictional contact. This paper introduces structure and operating principal of the piezoelectric multilayer stator. An equivalent circuitry model for the free stator and a frequency tracking method to operate the motor at its optimum operating frequency are also proposed. The frequency tracking method not only finds the best operating frequency, it also tracks the frequency variations from sample to sample and operating frequency shift due to temperature change.     

多振动片式驻波型超声波电动机及其实验研究

从振动理论出发，在单片式回转型超声波电动机的基础上，设计制作一台新型多片式超声波电动机的样机，通过对样机的性能进行测试，分析了电动机的谐振频率、输入电压和预压力对超声波电动机性能的影响，得出了提高超声波电动机性能的关键参数。     

超声波电机定转子接触的摩擦传动模型及其实验研究

超声波电机是一种利用超声振动和摩擦力为驱动源的新原理电机。对行波型超声波电机定子转子之间的磨擦传动动模型进行了深入研究。在分析过程中,考虑了定转子之间的粘滑特性,获得了行波型超声波电机特性与结构参数之间关系的解析表达式,为电机的设计和制造提出理论依据。     

Design and performances of high torque ultrasonic motor for application of automobile

We propose an ultrasonic motor of high torque with a new configuration for application in automobiles. The newly designed stator is a two sided vibrator consisting of a toothed metal disk with a piezoelectric ceramic ring bonded on both faces of the disk which generates a flexural traveling wave along the circumference of disk. In this configuration, the displacement on the surface of stator may not be confined. It also produces a large vibrating force and amplitude because the vibrator is sandwiched by two piezoelectric plates. It is possible to increase the torque by improving the vibration characteristics. We used the finite element method to compute the vibration mode of the motor of diameter 48 mm. A sixth mode was chosen as the operation mode with a resonance frequency of about 73 kHz. We fabricated a prototype according to this design and measured its performance. The performance measurement of the prototype motor showed that its stall torque was about 1.8 Nm and efficiency was 37% at 60% of the maximum torque. Compared to a conventional motor which employed a single sided piezoelectric vibrator of the same outer diameter, we obtained, with this prototype, a maximum torque of about twice as great. The motor may be useful to apply as an actuator in a mobile car.     

单模态纵-弯复合直线电动机的机理与特性

提出了一种融合一阶纵振和四阶弯曲振动模式的单模态直线超声波电动机,介绍了电动机的结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,仿真分析了电动机定子的振动特性,确定了电动机定子工作模态和工作频率;利用弹性杆的纵振动和悬臂梁的弯曲振动理论建立了电动机驱动足椭圆运动轨迹方程,分析了激励电压相位差对电动机椭圆轨迹的影响;利用粘弹性接触机理给出了电动机的机械特性输出曲线,分析了预压力、激励电压幅值和激励频率等对电动机输出特性的影响。通过数值和仿真分析得出:单模态直线超声波电动机的工作频率为39 860 Hz,在外加激励电压Up-p=100 V时,电动机最大输出推力和空载速度分别达到19.1 N和310 mm·s~(-1)。     

小型柱体超声波电动机的设计及有限元分析

简要总结了小型柱体超声波电动机的研究与发展;介绍了自行设计的一种新型自由-轴支小型柱体超声波电动机的结构、运行机理和振型特点,建立了定子有限元分析模型,并利用该模型研究了定子振型、定子开槽、陶瓷片位置及模态简并等问题,给出了仿真计算结果。     

新型柱体超声波电动机有限元设计

简要总结了小型柱体超声波电动机的研究与发展,介绍了自行设计的一种新型自由-轴支小型柱体超声波电动机,对其结构、运行机理和振型特点进行了介绍,建立了电动机定子的有限元分析模型,并利用该模型研究了定子振型、定子开槽、陶瓷片位置及模态简并等问题,给出了仿真优化计算和样机的测试结果。     

三自由度圆柱定子超声波电机运动轨迹仿真

基于超声波电机中压电陶瓷的逆压电效应、定子振动、转子旋转的原理,考虑弯曲振动引起的纵向振动,应用几何原理和振动理论,对圆柱定子激励频率相同、激励电压和激励的初相位各不相同的电信号引起的各单相振动进行合成,推导了三自由度圆柱定子超声波电机在三相同时激励时定子表面质点的轨迹运动方程,并仿真出同频率、不同相位差、不同电压激励时的运动轨迹,分析了这三个因素对定子表面质点轨迹的影响,为三自由度超声波电机的轨迹控制和姿态控制奠定了理论基础。     

短柱型超声波电机两相振动频率的简并

柱体型超声波电机依靠圆柱定子的弯曲振动驱动转子旋转。柱体型结构电机的激振效率高，装配工艺简单，有着十分广阔的应用前景。该文研究的是一种新型短柱型超声波电机，介绍了它的结构和运行机理；分析了不同边界条件下该电机的振动特性；采用弹性支撑和改变压电陶瓷激振方式，实现了电机两相振动频率的简并。